Алексей Бобровский - ведущий научный сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений МГУ, доктор химических наук, доцент, лауреат премии Президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2009 год. Об истории зарождения жидкокристаллического бума и о том, как с помощью жидких кристаллов защитить информацию, он рассказал Дмитрию Ицковичу, Борису Долгину и Анатолию Кузичеву в программе «Наука 2.0» - совместном проекте портала «Полит.ру» и «Вести.FM». Перед вами краткое содержание беседы. Полная версия радиопрограммы доступна здесь.
В 1888 году впервые было обнаружено так называемое жидкокристаллическое состояние. Это сделал австрийский ботаник Рейнитцер, который изучал производные холестерина и холестерилбензоат. Холестерилбензоат повел себя очень странным образом. Если взять обычное кристаллическое вещество, например, лед, и нагреть до нуля градусов - начнется плавление, и кристаллики льда перейдут в прозрачную бесцветную жидкость. А в случае холестерилбензоата при нагревании до определенной температуры кристаллики переходят сначала в мутную жидкость, а при дальнейшем нагревании - в прозрачную жидкость. Вначале Рейнитцер подумал, что само вещество загрязнено, но после тщательной очистки выяснилось, что это свойство все-таки присуще этому веществу, а не является каким-то артефактом.
Однако сильный интерес к жидким кристаллам возник лишь в середине-конце 60-х годов прошлого века. Дело в том, что в 1968 году, т.е. через 80 лет после открытия ЖК-состояния, был получен первый патент на ЖК-индикатор для часов и калькуляторов. В течение этих 80 лет всерьёз их не исследовали. Были работы, в том числе советского физика Всеволода Фредерикса (1885-1944), но особого ажиотажа не было, и публикаций было немного. Развитие микроэлектроники во второй половине XX века послужило толчком к возникновению жидкокристаллического «бума».
Фредерикс впервые планомерно исследовал влияние магнитного и электрического полей на ориентацию молекул жидкого кристалла. Чаще всего молекулы жидкого кристалла имеют вытянутую, палочкообразную, или, используя научную терминологию, анизометричную форму. Их важное достоинство в том, что направление ориентации длинных осей молекул можно легко изменять внешними воздействиями. Например, электрическим полем. Когда поняли, насколько сильно при этом меняются их оптические свойства, стало ясно, что их можно использовать для каких-либо индикаторов. А когда произошло развитие компьютерной техники, сразу осознали, что жидкие кристаллы можно применять в дисплеях. Разумеется, интерес к ним сильно возрос. Уже в 1968 году прошла первая международная конференция по жидким кристаллам, и количество публикаций стало стремительно расти. Научное открытие послужило толчком к технологическому прорыву, а технология, в свою очередь, стала заказчиком.
Надо отметить, что сейчас уже нет сильного интереса к исследованию и синтезу новых жидких кристаллов для дисплейных технологий. Уже давно подавляющее число компьютерных мониторов производят на жидких кристаллах. С уверенностью можно сказать, что почти каждый современный человек ими пользуется: ЖК-дисплеи, телевизоры, мобильные телефоны, количество т.н. «гаджетов» стремительно растет и пока жидкие кристаллы вне конкуренции. Это ярко демонстрирует, насколько широкое распространение получило это открытие.
Сейчас появляется много работ по недисплейным применениям жидких кристаллов - в качестве различных сенсоров (материалов и устройств для детектирования различных сигналов, веществ и полей). Уже в ближайшем будущем вполне возможны серьезные достижения в этом направлении. Далеко не все возможности использования ЖК-материалов реализованы в оптоэлектронике, фотонике и коммуникационных технологиях. Рассказывает Алексей Бобровский.
Фундаментальные исследования
Далеко не все понятно с жидкими кристаллами и с точки зрения фундаментальной науки. Существует хорошая, четкая теория только самого простого типа жидкокристаллического состояния, нематического. А жидкокристаллических фаз - несколько десятков, и все они обладают разнообразными интересными свойствами. Теоретическое описание сложных фаз жидких кристаллов все еще под вопросом. Как можно описать и понять, почему жидкие кристаллы ведут себя именно так, и можно ли предсказать свойства, зная химическую структуру? Эта проблема отнюдь не решена.
Существует задача: выяснить связь «структура-свойство». Например, есть технологическая задача - требуется такое-то вещество с конкретными свойствами, и химику, к сожалению, чаще всего приходится синтезировать целый ряд разных веществ, чтобы подобрать структуру с нужным свойством. Задача упростилась бы, если бы существовали ясные представления о том, как химическая структура влияет на свойства конечного вещества. Конечно, существует огромный прогресс в этой области, но окончательных ответов нет.
Наша лаборатория занимается жидкокристаллическими полимерами. Почему возникла идея их создания? Это связано с тем, что неполимерные, низкомолекулярные жидкие кристаллы не обладают хорошими механическими свойствами. Из них нельзя сделать пленку, какое-то прочное покрытие – потому что они текут. А вот у полимеров есть такое замечательное свойство - образовывать стеклообразное состояние. Название этого состояние само за себя говорит.
При температуре выше, к примеру, 60 градусов полимер проявляет свойства очень вязкой жидкости. А при охлаждении надмолекулярная структура и ориентация молекул застывают и могут сохраняться десятки лет. Изменяя химическую структуру полимера можно сильно варьировать эту «температуру стеклования» - и оптимизировать эксплуатационные свойства материала.
Идея сочетании свойств полимеров и жидких кристаллов возникла на заре ЖК-«бума» в лаборатории Химических превращений полимеров под руководством проф. Н.А. Плате совместно с сотрудниками В.П. Шибаевым и Я.С. Фрейдзоном. Так появились ЖК-полимеры гребнеобразного строения. Именно в этой лаборатории я работаю сейчас.
Основная идеология работы нашей лаборатории заключается, прежде всего, в химическом синтезе базовых структурных элементов для создания полимеров под названием мономеры, которые привносят в конечный материал разные свойства.
Например, есть так называемые мезогенные мономеры. Они формируют мезофазу (или жидкокристаллическую фазу – это синонимы). Они ответственны за упорядочивание в системе. Другие фрагменты могут быть ответственны за формирование, например, спиральной структуры - так называемые хиральные фрагменты. Другой тип фрагментов, фотохромный, придает полимеру фоточувствительность. Фотохромные группы привносят в систему способность менять свои свойства под действием света разной длины волны, в зависимости от структуры. Кроме того, в систему могут быть введены группы, которые связывают ионы металла, - это относительно новое направление работы. Одна полимерная молекула может комбинировать два или три разных типа фрагментов.
Молекула полимера имеет цепочечное строение. Самая простая модель макромолекулы– это ожерелье из одинаковых бусинок. А мы делаем более сложные комбинации. Представьте себе бусинки двух-трех разных цветов, и они соединены в одну цепочку, причем каждый тип бусинок ответствен за какую-то свою функцию. В реальной пленке – множество таких нитей, переплетенных, либо сложно соединенных.
Перспективы
Прежде всего, наша работа имеет большое значение с точки зрения фундаментальной науки. Создавая новые сложные полимерные молекулы и тщательно исследуя их, мы все больше узнаем об особенностях «характера» таких систем. Очень часто обнаруживаются совершенно неожиданные особенности поведения наших полимерных пленок под действием света, тепла, механического воздействия.
Недавно нами был предложен подход к созданию нового типа так называемых фотоактюаторов, материалов, которые превращают световую энергию в механическую. Причем мы впервые использовали для их создания самый распространенный и дешевый полимер – полиэтилен. Воздействие света на пленки таких ЖК-композитов приводит к их быстрому обратимому сгибанию. Сейчас наша задача – разобраться с механизмом этого процесса и научиться управлять характеристиками таких пленок. Безусловно, такие материалы интересны и сточки зрения практического использования, не зря ими очень заинтересованы в NASA.
Кроме того, ряд наших ЖК-полимеров может быть использован для создания специальных покрытий для защиты ценных бумаг. При использовании ультрафиолетовой лампы и специального оптического фильтра можно визуализовать записанное ранее изображение, скрытое для невооруженного глаза. Это позволит ставить идентификационные метки или защищать ценные бумаги от подделки.
Еще одно из направлений работы нашей лаборатории – создание новых типов ЖК-сенсоров на ионы металлов. Уже получены ЖК-полимерные пленки, которые при погружении в растворы солей различных металлов в считанные минуты меняют свой цвет с зеленого на синий или с красного на зеленый.
Это лишь самые «прикладные» направления работы нашей лаборатории из нескольких. Подчеркну, что главная наша задача – разобраться с тем, что происходит в таких системах на молекулярном уровне. Но, тем не менее, мы надеемся, что в будущем наши разработки заинтересуют фирмы, которые найдут достойное применение нашим ЖК-полимерам.
